ASP4644S2B抗辐照性能的地面试验与在轨验证

摘要

随着航天技术的不断进步，电子元器件在太空环境中的可靠性愈发关键。空间辐射环境复杂多变，对电子器件的性能构成了严峻挑战。本文分析了国科安芯推出的ASP4644S2B型DCDC降压稳压器的抗辐照性能，包括地面试验与在轨验证两部分。通过总剂量效应试验、单粒子效应试验和质子辐照试验，系统评估了其在复杂空间辐射环境下的可靠性。结合在轨运行数据，进一步验证了其性能稳定性与抗辐照能力。研究结果表明，ASP4644S2B在空间辐射环境下表现出优异的抗辐照性能，满足商业航天及宇航领域的需求。本文为国产化航天芯片的抗辐照性能评估提供了重要参考。

1. 引言

空间辐射环境对电子元器件的性能和可靠性具有显著影响，主要表现为总剂量效应、单粒子效应和位移损伤等。随着商业航天和宇航技术的快速发展，电子元器件的抗辐照性能成为决定卫星系统可靠性的关键因素之一。为确保电子器件在复杂空间环境中的正常运行，地面试验与在轨验证成为不可或缺的环节。

ASP4644S2B是国科安芯研发的4通道DCDC降压稳压器，适用于4 ~ 14V宽输入电压范围，每通道可输出0.6~5.5V电压，最大驱动电流达4A。其具备过流、过温、短路保护和输出跟踪功能，适用于商业航天及宇航领域。

2. 地面试验设计与结果分析

2.1 总剂量效应试验

2.1.1 试验目的与依据

总剂量效应试验用于评估电子元器件在累积电离辐射环境下的性能变化。根据GJB548C-2023《微电子器件试验方法和程序》及QJ10004A-2018《宇航用半导体器件总剂量辐照试验方法》，ASP4644S2B的总剂量效应试验在北京大学技术物理系钴60γ射线源平台上开展。试验剂量率设置为25 rad(Si)/s，辐照总剂量为125 krad(Si)。

2.1.2 试验过程与数据采集

试验样品为单只ASP4644S2B芯片，封装形式为BGA77。辐照前，对样品进行了常温下的功能测试，包括输入电压、输出电压、工作电流等参数。辐照过程中，样品加12V直流电源，设置输出电压为3.3V、2.5V、1.5V及1.2V，空载条件下进行测试。辐照完成后，对样品进行退火处理（高温退火168小时），并在室温下进行功能复测。

2.1.3 试验结果与分析

试验结果显示，ASP4644S2B在辐照剂量达到125 krad(Si)时，输入电压12V、输出电压1.5V条件下，工作电流仍保持在72 mA，与辐照前测试数据一致。高温退火后，样品的电参数未出现异常变化，功能测试结果合格。结果表明，ASP4644S2B具备较强的抗总剂量辐照能力。

2.2 重离子单粒子效应试验

2.2.1 试验目的与依据

单粒子效应试验用于评估器件在空间高能粒子环境下的抗单粒子锁定（SEL）和单粒子烧毁（SEB）能力。根据QJ10005A-2018《宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南》，试验在中国科学院国家空间科学中心可靠性与环境试验中心完成。

2.2.2 试验条件与过程

试验采用重离子加速器产生的Ge离子束，LET值为37.4 MeV·cm²/mg，注量为8.3×10⁶ ion/cm²。样品设置为12V偏置条件，工作电流初始值为71 mA，输出电压为1.5V。试验过程中，对样品的工作电流及输出电压进行实时监测。

2.2.3 试验结果与分析

试验结果显示，在辐照注量达到8.3×10⁶ ion/cm²时，样品工作电流未超过限流值（300 mA），输出电压保持稳定（1.5V），未发生SEL或SEB现象。停止辐照后静置一周，器件工作电流恢复至正常水平。试验表明，ASP4644S2B的单粒子烧毁和单粒子锁定LET阈值大于37.4 MeV·cm²/mg。

2.3 质子单粒子效应试验

2.3.1 试验目的与依据

质子单粒子效应试验用于评估器件在质子辐照环境下的抗辐照能力。根据《宇航用半导体器件质子单粒子实验方法》，试验在北京中科芯试验空间科技有限公司完成。

2.3.2 试验条件与过程

试验采用100 MeV质子加速器，注量率为1×10⁷ ion/cm²/s，总注量为1×10¹⁰ ion/cm²。样品设置为12V偏置条件，输出电压为1.5V。试验过程中，对样品的工作电流及输出电压进行监测。

2.3.3 试验结果与分析

试验结果显示，样品在辐照过程中工作电流未出现异常，输出电压保持稳定（1.5V）。试验后，样品功能正常，未发生单粒子效应。结果表明，ASP4644S2B在质子辐照环境下具备良好的抗辐照性能。

3. 在轨验证与性能表现

3.1 在轨验证背景

ASP4644S2B已成功搭载于地质遥感智能小卫星TY29“天仪29星”和光学遥感卫星TY35“天仪35星”，并于2025年5月发射升空。这两颗卫星主要用于高光谱地质遥感及光学遥感任务，对电源芯片的稳定性及可靠性提出了严格要求。

3.2 在轨运行情况

根据长沙天仪空间科技研究院有限公司提供的在轨运行数据，ASP4644S2B芯片在轨运行稳定，供电功能正常，输出电压及电流均符合设计要求。其SEU（单粒子翻转）阈值≥75 MeV·cm²/mg，SEL阈值≥75 MeV·cm²/mg，满足卫星系统的抗辐照设计需求。

3.3 在轨验证结果分析

在轨运行数据表明，ASP4644S2B在实际空间辐射环境下表现出优异的抗辐照性能，与地面试验结果一致。这进一步验证了其在复杂空间环境下的可靠性及稳定性。

4. 抗辐照性能的机理分析

4.1 总剂量效应机理

总剂量效应主要由电离辐射引起的电荷积累导致器件性能退化。ASP4644S2B在设计中采用了优化的电路布局和屏蔽措施，以减少电离辐射对敏感区域的影响。试验结果显示，其抗总剂量辐照能力达到125 krad(Si)，表明其在宽范围的累积剂量下仍能保持正常功能。

4.2 重离子单粒子效应机理

单粒子效应由高能粒子穿过器件敏感区域引发，可能导致瞬时功能异常或永久性损坏。ASP4644S2B通过优化器件结构和采用抗辐照设计工艺，显著提高了单粒子效应阈值。试验表明，其LET阈值大于37.4 MeV·cm²/mg，表明其在单粒子环境下具备较高的可靠性。

4.3 质子辐照效应机理

质子辐照可能导致器件内部电离和位移损伤。ASP4644S2B通过材料选择和工艺优化，有效降低了质子辐照对其性能的影响。试验结果表明，其在100 MeV质子辐照环境下功能正常，未出现性能退化。

5. 应用场景与技术挑战

5.1 应用场景分析

ASP4644S2B在商业航天领域的应用主要包括以下场景：

高光谱遥感卫星 ：在地质遥感智能小卫星TY29中，ASP4644S2B为处理和分析板供电，支持高光谱数据采集与传输。

光学遥感卫星 ：在光学遥感卫星TY35中，其为成像系统提供稳定的电源支持，确保遥感数据的质量和可靠性。

5.2 技术挑战

复杂空间环境适应性 ：空间辐射环境的多样性和不可预测性对芯片的抗辐照设计提出了更高要求。

高可靠性和长寿命需求 ：卫星系统通常要求芯片具备10~15年的在轨使用寿命，这对芯片的材料和工艺提出了严格挑战。

国产化替代的验证 ：在国际供应链受限的背景下，国产化芯片的性能和可靠性验证成为关键问题。

6. 总结与展望

本文系统分析了ASP4644S2B型DCDC降压稳压器的抗辐照性能，包括总剂量效应、单粒子效应及质子辐照试验，并结合在轨运行数据对其性能进行了验证。研究结果表明：

ASP4644S2B在总剂量辐照试验中表现出优异的抗总剂量能力，辐照剂量达到125 krad(Si)后仍保持功能正常。在重离子单粒子效应试验中，其LET阈值大于37.4 MeV·cm²/mg，未发生SEL或SEB现象。在质子辐照试验中，样品功能正常，未出现单粒子效应。在轨运行数据显示，ASP4644S2B供电稳定，性能满足卫星系统的设计要求。

ASP4644S2B的成功研发及应用，为国产化航天芯片的抗辐照性能评估提供了重要参考。未来，随着空间环境复杂性的增加，进一步优化芯片的抗辐照设计及工艺将成为研究重点。同时，加强国产化替代及供应链体系建设，也将为我国航天事业的自主可控发展提供重要支撑。